基于InVEST 模型的南京市溧水區生境質量時空變化分析

季曉埡，夏 敏

（南京農業大學公共管理學院，南京 210095）

生境質量是生態服務水平和區域生物多樣性的重要表征及反映，能夠反映人類生存環境的優劣程度，是人類福祉提升和區域生態安全保障的關鍵環節［1，2］。國內外學者對不同尺度的生境質量進行了研究，其中小尺度研究通過實地調查收集相關參數測算生境質量［3］；大尺度研究則運用遙感數據等使用模型進行計算，常見的模型有InVEST 模型［4］、SOLVES 模型、MAXENT 模型等。其中，InVEST 模型采用土地利用分類圖，基于脅迫因子的空間權重及影響距離、生境適宜度指數以及對脅迫因子的敏感性對研究區的生境質量進行空間量化評估，具有數據需求量少、輸出量大的特點［5］。

本研究分析2000—2018 年南京市溧水區的土地利用變化，進一步運用InVEST 模型研究其生境質量時空變化，以期為溧水區合理規劃未來發展的空間布局、解決建設中的環境問題提供參考。

1 研究區概況

溧水區地處南京市中南部，地勢東南高、西北低，是典型的低山丘陵地區。全區屬亞熱帶季風氣候，四季分明，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥。截至2018 年末，溧水區下轄5 個街道、3 個鎮，戶籍人口44.38 萬人，耕地面積4.27 萬hm2，實現地區生產總值789.09 億元。高速城鎮化的同時，溧水區生態環境也在不斷變化。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

南京市溧水區土地利用數據（2000 年、2010 年、2018 年）來源于溧水區土地利用變更調查成果，柵格大小為30 m×30 m，其中包括25 個土地利用類型，本研究以此為基礎計算生境質量。為分析土地利用變化和生境質量變化原因，依據GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》，考慮溧水區土地利用特點，將其重分為6 種類型（表1）。

表1 土地利用類型重分類

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地利用轉移矩陣可以反映特定區域特定時間各地類的面積數據、各地類初期的轉出面積以及末期轉入面積。采用土地利用轉移矩陣反映溧水區土地利用變化，具體數學表達形式如下。

式中，Sij表示研究時段初期i類土地到研究末期轉為j類土地的面積，n為土地利用類型［6］。

2.2.2 生境質量分析 在InVEST 模型生境質量模塊中，生境質量的計算基于生境退化指數，計算式如下［7-9］。

式中，Qxj為第j種用地類型中柵格x的生境質量指數；Hj為第j種用地類型相應的生境適宜度指數，取值為0～1；k為半飽和參數，通常取Dxj最大值的50%［10］；Z為模型尺度常數，一般取2.5；Dxj為生境退化指數，計算式如下［7-9］。

式中，R為脅迫因子數量，本研究選取旱地、水田、工礦用地、農村居民點和城鎮建設用地5 種人類活動頻繁且能直接影響生境質量的類型作為脅迫因子；ωr為脅迫因子權重，在本研究中分別為0.2、0.2、0.5、0.7、1.0；Yr為脅迫因子的柵格單元數；ry為各柵格脅迫因子相應個數；βx為1；Sjr為j土地類型對脅迫因子的敏感度，irxy為脅迫因子的影響程度［7-9］。表2中參數參考InVEST模型手冊［7］及相關文獻確定［11-13］。

表2 生境適宜度指數及其對脅迫因子的敏感度

3 結果與分析

3.1 2000—2018 年南京市溧水區土地利用變化

通過ArcGIS 對不同時期南京市溧水區土地利用數據進行融合疊置，計算面積后導出屬性表，得到土地利用轉移矩陣（表3）。

表3 2000—2018 年南京市溧水區土地利用轉移矩陣（單位：km2）

2000—2010 年，耕地向建設用地轉變是南京市溧水區最主要的土地利用變化，另有部分耕地轉變為水域及水利設施用地，少量轉變為林地和其他用地，但只有少量其他地類轉變為耕地，導致耕地整體面積減少約63.60 km2，占9.1%。林地面積稍有減少，主要轉變為建設用地及其他用地。草地基本未發生變化。水域及水利設施用地面積稍有增長，且主要轉變來源于耕地。2000—2010 年只有少量建設用地轉變為耕地，極少量轉變為林地和水域及水利設施用地，但大量耕地及部分林地轉變為建設用地，以致建設用地增長了49.47 km2，占51.5%。部分耕地及林地轉變為其他用地，其他用地增長了3.29 km2。一方面，南京市溧水區的總人口增長對住宅、工業和其他設施用地的需求越來越大，城鎮村范圍不斷向外擴展；另一方面，隨著城市化的快速發展，南京市溧水區的中心城區和各縣GDP 總值增長，各地區基礎設施和交通網絡的完善占用了大量耕地，導致耕地向建設用地轉變。

2010—2018 年，南京市溧水區的主要土地利用變化體現在耕地向建設用地的轉變、林地和水域及水利設施用地向耕地的轉變。有41.38 km2的耕地轉變為建設用地，部分耕地轉變為林地和水域及水利設施用地，耕地共減少26.58 km2，約占4.4%；同時，約有26.59 km2的建設用地、林地和水域及水利設施用地轉變為耕地。林地總面積基本未變，但存在與耕地及建設用地的相互轉變。草地面積略有增加且主要來源為耕地。水域及水利設施用地面積略有減少，主要轉變為耕地及建設用地，且有部分耕地轉變為水域及水利設施用地。建設用地面積有所增長，轉變主要來源于耕地，約占總轉變面積的91.7%，只有少部分建設用地轉變為耕地。其他用地面積略有下降，主要轉變為建設用地，轉變面積約0.95 km2。相比于2000—2010 年，2010—2018 年耕地面積的減少幅度呈下降趨勢。在此期間，為了較好地貫徹耕地保護任務，南京市政府施行耕地保護補貼暫行辦法，建立了耕地保護長效激勵機制，嚴格保護耕地，防止城鎮建設連綿，使耕地降幅趨緩。

表3 反映了溧水區2000—2018 年的土地利用變化，其中耕地面積減少了約89.86 km2，占13.0%。建設用地和水域及水利設施用地面積分別增加了約80.88 km2和11.36 km2，占84.4%和9.0%。草地及其他用地面積變化不大，林地面積略有下降。

3.2 2000—2018 年南京市溧水區生境質量時空變化

3.2.1 2000—2018年生境質量時間變化特征 從表4 可以看出2000 年，溧水區的平均生境質量指數為0.406，其中和鳳鎮水域及水利設施用地面積較大且聚集，所以均值最高，為0.493，而東屏鎮大部分耕地靠近建設用地且基本無其他土地類型導致均值最低，為0.339；2010 年的平均生境質量指數為0.396，高值區和低值區與2000 年相同；2018 年的平均生境質量指數為0.385，其中和鳳鎮均值仍然最高，為0.493，由于柘塘鎮建設用地面積擴增，耕地面積減少，水域及水利設施用地和林地面積較少且基本未變，而東屏鎮在此期間土地利用類型未發生較大變化，所以最低值轉變為柘塘鎮，為0.251。2010 年均值比2000 年下降了2.46%，2018 年則比2010 年下降了2.78%，下降速度在不斷加快，這是因為2010—2018 年，耕地在向建設用地轉變的同時林地與水域及水利設施用地向耕地轉變，導致高生境質量地區快速縮小。2000—2018 年生境質量指數呈下降趨勢，可以看出在研究時段內隨著南京市溧水區城市化進程的推進，生態環境發生了相應變化。

表4 南京市溧水區各鎮平均生境質量指數

3.2.2 2000—2018 年生境質量空間分布特征 南京市溧水區2000 年、2010 年和2018 年的生境質量空間分布情況見圖1，生境質量指數范圍在0～1，該值越大表示生境質量越好。由圖1 可以看出，2000—2018 年南京市溧水區生境質量雖在空間上發生了一定的變化，但由于東南區域主要為林地且研究時段內林地面積略有擴增，而西北區域建設用地不斷擴增，導致整體上呈東南高、西北低的空間格局。

圖1 2000—2018 年南京市溧水區生境質量空間分布

2000—2010 年，生境質量水平退化區域主要集中在東屏鎮、石湫鎮、永陽鎮和白馬鎮，耕地向建設用地的轉變導致建設用地增多，生境質量下降。生境質量水平較好或變好的區域主要集中在柘塘鎮、洪藍鎮、和鳳鎮和晶橋鎮，該區域含有大面積水域及水利設施用地和林地，且耕地轉變為建設用地情況并不明顯。分析此期間溧水區的社會經濟發展情況可知，總人口的急速增長、基礎設施和交通網絡等的完善導致建設用地需求越來越大，生境質量下降。

2010—2018 年，生境質量水平退化區域顯著增加，包括柘塘鎮、石湫鎮、永陽鎮（變化值≥0.01），主要因為建設用地的進一步增加，使原有的耕地、林地及草地的生態涵養功能下降。只有和鳳鎮仍然保持著較高的生境質量水平，這是由于其水域及水利設施用地面積基本未變，加之耕地、林地未被大量開墾利用。在此期間，由于耕地保護長效激勵機制的建立和人們生態保護意識的增強，耕地轉為建設用地面積減少，但總體生境質量狀況未發生較大改變。

綜上可見，2000—2018 年，隨著溧水區的高速城鎮化，建設用地占用大量耕地，導致生境質量有所下降。南京市溧水區東南部生境質量處于優等狀態，其主要土地類型為水域及水利設施用地和林地，能夠為整個溧水區提供涵養水源和凈化水質。其他區域以耕地和建設用地為主要土地類型，人口密度大，耕作、施肥、生活污水和工業廢水對生境質量產生了一定影響。

4 結論

城鎮化發展使基礎設施建設有了較大的改善，粗放式的發展導致土地利用方式發生變化，進而影響了區域生境質量。本研究通過對南京市溧水區3個時期的土地利用類型和生境質量變化進行分析，得出以下結論。

1）溧水區2000—2018 年建設用地面積不斷增加，耕地和林地面積呈下降趨勢，草地及其他用地面積變化不大，水域及水利設施用地面積略有下降。研究區內大量耕地、林地被開墾利用。

2）從時間上來看，2000—2018 年南京市溧水區生境質量指數呈下降趨勢。從空間上來看，研究期間南京市溧水區生境質量在空間上發生了一定的變化，但整體上空間布局基本一致，生境質量指數主要呈東南高、西北低的空間格局。隨著溧水區的高速城鎮化，建設用地占用大量耕地，導致生境質量有所下降。

3）為提高南京市溧水區的生境質量，必須科學合法管理開發利用土地，加強對林地和耕地的保護，注重合理的土地結構和空間配置。

本研究中，InVEST 模型的部分參數，如土地利用類型對各脅迫因子的敏感度，參照相關文獻以及用戶指南確定，模型中土地利用類型的所有威脅都是簡單相加，未考慮其綜合影響。未來研究中如何充分結合當地實測獲得更加精準的模型參數，并綜合多種威脅的影響測算生境質量是重點方向。